HYDROENERGETYKA HYDROENERGETYKA

(1)

HYDROENERGETYKA HYDROENERGETYKA

Ryszard Myhan WYKŁAD 2

WYZNACZANIE WYZNACZANIE

PARAMETRÓW MAŁEJ

ELEKTROWNI WODNEJ

(2)

MEW - CHARAKTERYSTYKA MEW - CHARAKTERYSTYKA

 Do małych elektrowni wodnych zalicza się elektrownie o mocach zainstalowanych do około 5 MW, a w

niektórych krajach do 10 MW.

 MEW w samej istocie, ze względu na konieczność uzyskania odpowiedniej efektywności, różnią się od średnich i wielkich elektrowni wodnych.

 Zdecydowaną większość MEW stanowią elektrownie przepływowe; wartość oddawanej mocy zależy od chwilowego przepływu wody w rzece.

 Charakteryzują się brakiem lub bardzo małą

pojemnością retencyjną zbiornika górnego.

(3)

MEW - JAKI POŻYTEK?

 Małe elektrownie wodne (MEW) pełnią wielorakie, pozytywne zadania w gospodarce narodowej:

 Są źródłem wytwarzania taniej, czystej energii elektrycznej.

 Pełnią istotną rolę w ekologii i ochronie środowiska naturalnego.

 Są elementem systemu regulacji stosunków

wodnych, poprawiają wilgotność gleb i poziom wód gruntowych.

 Tworzą system zbiorników retencyjnych i tak zwanej małej retencji.

 Tworzą nowe zawody, nowe miejsca pracy.

(4)

MEW - JAKI POŻYTEK?

 MEW poprawiają jakość wody, poprzez oczyszczanie mechaniczne na kratach wlotowych do turbin

pływających zanieczyszczeń oraz zwiększają natlenienie wody, co poprawia ich zdolność do samooczyszczania

biologicznego.

 MEW korzystnie wpływają na system energetyczny poprzez poprawę parametrów sieci rozdzielczej niskiego i średniego napięcia.

 Energia elektryczna z MEW jest wykorzystywana przez odbiorców z najbliższego otoczenia, co eliminuje straty energii na przesyle, rozdziale i transformacji.

 MEW są powszechnie uznawane za źródła energii

odnawialnej, najbardziej przyjazne człowiekowi.

(5)

MEW - WADY MEW - WADY

 Mogą mieć niekorzystny wpływ na żyzność gleb w obszarze nadrzecznym,

 Mogą mieć ujemny wpływ na lokalne warunki klimatyczne, powodując powstawanie mgieł,

 Przegrodzenie koryta rzeki często prowadzi do zamulenia zbiornika i erozji brzegów,

 Może nastąpić pogorszenie samooczyszczania się płynących wód i zmniejszenia zawartości w nich tlenu,

 Utrudnienia swobodnego ruchu ryb,

 Ogólny spadek temperatur, ochłodzenie w okresie wiosenno-letnim i ocieplenie w zimowo- jesiennym,

 Turbiny powodują wysoką śmiertelność ryb, które

dostają się pomiędzy łopatki wirników.

(6)

MEW – JAKIE MAMY PRZEPISY?

 Produkcja energii elektrycznej w MEW wymaga stworzenie odpowiednich warunków ekonomicznych

i prawnych sprzyjających rozwojowi tego sektora.

 Do standardów wspierania małej energetyki w państwach Europy Zachodniej należy:

 obowiązkowy zakup całej energii wyprodukowanej ze źródeł odnawialnych,

 pierwszeństwo w zakupie energii czystej przez zakłady energetyczne przed energią ze spalania,

 stała cena zakupu energii czystej przez minimum

3 lata, w wysokości wyższej niż minimalna cena

zakupu energii ze spalania (elektrociepłownie),

(7)

MEW – JAKIE MAMY PRZEPISY?

 Do standardów wspierania małej energetyki w państwach Europy Zachodniej należy:

 zwolnienie z podatków do 5 lat, a potem minimalne podatki,

 dotacje wspierające budowę,

 niskooprocentowane (przeważnie umarzane) kredyty bankowe.

 Polityka Rządu RP w zakresie energetyki odnawialnej (obejmująca produkcję z dopływu naturalnego) jest

określona w „Założeniach polityki energetycznej Polski do

roku 2020 r.”- przyjętych prze Radę Ministrów w lutym

2000 roku.

(8)

MEW – JAKIE MAMY PRZEPISY?

 Inne istotne akty prawne to:

 USTAWA z dnia 10 kwietnia 1997 r.

Prawo energetyczne.

 USTAWA z dnia 18 lipca 2001 r.

Prawo wodne.

 USTAWA z dnia 2 lipca 2004 r.

O swobodzie działalności gospodarczej.

 USTAWA z dnia 27 kwietnia 2001 r.

Prawo ochrony środowiska.

 USTAWA z dnia 6 grudnia 2008 r.

O podatku akcyzowym.

(9)

MEW – ZASADY PRZYZNAWANIA WSTĘPNEJ MEW – ZASADY PRZYZNAWANIA WSTĘPNEJ

MOŻLIWOŚCI BUDOWY MOŻLIWOŚCI BUDOWY

 Z istniejącym piętrzeniem

Udostępnianie budowli piętrzących na podstawie konkursu na hydroenergetyczne wykorzystanie urządzeń wodnych wg jednolitych procedur

opracowanych przez Krajowy Zarząd Gospodarki

Wodnej.

(10)

MEW – ZASADY PRZYZNAWANIA WSTĘPNEJ MEW – ZASADY PRZYZNAWANIA WSTĘPNEJ

MOŻLIWOŚCI BUDOWY MOŻLIWOŚCI BUDOWY

 Bez istniejącego piętrzenia

Wniosek inwestora z koncepcją programowo-

przestrzennej realizacji przedsięwzięcia - stopnia piętrzącego z MEW. Koncepcja powinna m.in.

zawierać:

 analizę warunków przepływu wód

powodziowych i lodu przez projektowaną budowlę,

 rysunki budowli i urządzeń,

 obliczenia zasięgu cofki,

 mapę ewidencyjną,

 plan sytuacyjno - wysokościowy, umożliwiający rozpoznawanie szczegółów,

 plan poglądowy w skali umożliwiającej określenie

lokalizacji,

(11)

MEW – NA CO MOŻE LICZYĆ INWESTOR?

 Sieci energetyczne mają obowiązek przyłączenia

Elektrowni wytwarzających energię z Odnawialnych Źródeł.

 Zakłady Energetyczne muszą skupić całą

wyprodukowaną energię po ustalonej przez Urząd Regulacji Energetyki cenie.

 Za każdą wyprodukowaną ilość energii właściciel Elektrowni otrzymuje papier wartościowy notowany

na Towarowej Giełdzie Energii – Świadectwo Pochodzenia Energii.

 Budowę elektrowni można finansować przy wsparciu

środków unijnych – do 60% wartości inwestycji!

(12)

MEW - PROCES INWESTYCYJNY MEW - PROCES INWESTYCYJNY

 LOKALIZACJA

•

Poszukiwanie lokalizacji (zakup lokalizacji)Poszukiwanie lokalizacji (zakup lokalizacji)

•

Ocena lokalizacji, wywiad środowiskowyOcena lokalizacji, wywiad środowiskowy

•

Studium wykonalności, wstępne szacunkiStudium wykonalności, wstępne szacunki

•

Koncepcja elektrowniKoncepcja elektrowni

•

Niezbędne badania: geodezja, geologia, przepływy, Niezbędne badania: geodezja, geologia, przepływy, przyłączenie do sieci

przyłączenie do sieci

•

Szacunek przychoduSzacunek przychodu

•

Szacunek kosztówSzacunek kosztów

•

Ocena możliwości finansowychOcena możliwości finansowych

•

Tytuł do nieruchomościTytuł do nieruchomości

•

^Zakup^Zakup

•

^Dzierżawa^Dzierżawa

•

Umowa przyrzeczeniaUmowa przyrzeczenia

(13)

MEW - PROCES INWESTYCYJNY MEW - PROCES INWESTYCYJNY

 KONCEPCJA

•

Wybór projektantów – doradztwo techniczneWybór projektantów – doradztwo techniczne

•

Projekt koncepcyjny elektrowniProjekt koncepcyjny elektrowni

•

Optymalizacja wszystkich parametrówOptymalizacja wszystkich parametrów

•

Wybór technologii (rodzaj turbiny determinuje wszystkie Wybór technologii (rodzaj turbiny determinuje wszystkie kolejne kroki)

kolejne kroki)



DECYZJA O WARUNKACH ZABUDOWYDECYZJA O WARUNKACH ZABUDOWY

•

Zapisy w planie zagospodarowania przestrzennegoZapisy w planie zagospodarowania przestrzennego

•

Wniosek o ustalenie lokalizacji inwestycji celu Wniosek o ustalenie lokalizacji inwestycji celu publicznego lub wniosek o wydania warunków publicznego lub wniosek o wydania warunków

zabudowy i zagospodarowania terenu zabudowy i zagospodarowania terenu

(14)

MEW - PROCES INWESTYCYJNY MEW - PROCES INWESTYCYJNY

 OPERAT WODNOPRAWNY

•

Wykonanie operatu wodnoprawnego wraz z koncepcją Wykonanie operatu wodnoprawnego wraz z koncepcją elektrowni.

elektrowni.

•

Inwestycja budowy elektrowni wodnej o mocy mniejszej Inwestycja budowy elektrowni wodnej o mocy mniejszej niż 2,5 MW określonej w rozporządzeniu nie należy do niż 2,5 MW określonej w rozporządzeniu nie należy do

inwestycji uciążliwych, wymienionych w rozporządzeniu inwestycji uciążliwych, wymienionych w rozporządzeniu Rady Ministrów z dnia 9 listopada 2004 roku w sprawie Rady Ministrów z dnia 9 listopada 2004 roku w sprawie

określenia rodzajów przedsięwzięć mogących znacząco określenia rodzajów przedsięwzięć mogących znacząco

oddziaływać na środowisko oraz szczegółowych oddziaływać na środowisko oraz szczegółowych

uwarunkowań związanych z kwalifikowaniem uwarunkowań związanych z kwalifikowaniem

przedsięwzięcia do sporządzenia raportu o przedsięwzięcia do sporządzenia raportu o

oddziaływaniu na środowisko.

•

Ustalenie stron postępowaniaUstalenie stron postępowania

•

UzgodnieniaUzgodnienia

•

Przyjęcie obowiązków i przejęcie praw.Przyjęcie obowiązków i przejęcie praw.

(15)

MEW - PROCES INWESTYCYJNY MEW - PROCES INWESTYCYJNY

 DECYZJA WODNOPRAWNY

•

^W^Warunki decyzjiarunki decyzji

•

Czas obowiązywaniaCzas obowiązywania

•

^Obowiązki^Obowiązki

•

Wytyczne dla projektu budowlanego i zagospodarowania Wytyczne dla projektu budowlanego i zagospodarowania stopnia wodnego

stopnia wodnego

•

Przepławka dla rybPrzepławka dla ryb

 PROJEKT BUDOWLANY

•

Od jakości projektu będą zależeć koszty inwestycji Od jakości projektu będą zależeć koszty inwestycji i eksploatacji elektrowni

i eksploatacji elektrowni

•

Należy uważać na błędy projektowe – warto Należy uważać na błędy projektowe – warto

konsultować projekt ze specjalistami technologii MEW konsultować projekt ze specjalistami technologii MEW

•

Projekt przepławki Projekt przepławki

(16)

MEW - PROCES INWESTYCYJNY MEW - PROCES INWESTYCYJNY

 POSTĘPOWANIE BUDOWLANE

•

Uzgodnienia ze stronami postępowaniaUzgodnienia ze stronami postępowania

•

Uzgodnienia z sąsiadamiUzgodnienia z sąsiadami

•

Uzgodnienia z urzędem formy edytorskiej projektuUzgodnienia z urzędem formy edytorskiej projektu

•

Pozwolenie na budowęPozwolenie na budowę

•

Pozwolenie budowlane na przepławkę Pozwolenie budowlane na przepławkę

 PROJEKT WYKONAWCZY

•

Konsultacje z potencjalnymi wykonawcamiKonsultacje z potencjalnymi wykonawcami

•

Weryfikacja warunków lokalowychWeryfikacja warunków lokalowych

•

Ścisła współpraca z dostawcą technologiiŚcisła współpraca z dostawcą technologii

•

Przedmiar robót (kosztorys inwestorski)Przedmiar robót (kosztorys inwestorski)

(17)

MEW - PROCES INWESTYCYJNY MEW - PROCES INWESTYCYJNY

 WYBÓR WYKONAWCÓW

•

Inwestycja sposobem gospodarczym Inwestycja sposobem gospodarczym

•

Inwestycja powierzona generalnemu wykonawcyInwestycja powierzona generalnemu wykonawcy

•

Inwestycję prowadzi na zlecenie firma (osoba) pełniąca Inwestycję prowadzi na zlecenie firma (osoba) pełniąca rolę nadzoru właścicielskiego

rolę nadzoru właścicielskiego

•

Umowy z wykonawcamiUmowy z wykonawcami

 ^NADZÓR

•

Zewnętrzny nadzór właścicielskiZewnętrzny nadzór właścicielski

•

Nadzór budowlany powinien być dopasowany do Nadzór budowlany powinien być dopasowany do specyfiki branż

specyfiki branż

•

Nigdy nie korzystaj z nadzoru budowlanego związanego Nigdy nie korzystaj z nadzoru budowlanego związanego z wykonawcą!!!

z wykonawcą!!!

•

Szczegółowy harmonogram pozwoli w każdym Szczegółowy harmonogram pozwoli w każdym momencie kontrolować przebieg inwestycji

momencie kontrolować przebieg inwestycji

(18)

MEW - PROCES INWESTYCYJNY MEW - PROCES INWESTYCYJNY

 INWESTYCJA

•

Organizacja planu budowyOrganizacja planu budowy

•

Media na czas budowyMedia na czas budowy

•

Prace hydrobudowlanePrace hydrobudowlane

•

Prace budowlanePrace budowlane

•

ArchitekturaArchitektura

•

Wyposażenie technologiczne towarzysząceWyposażenie technologiczne towarzyszące

 WYPOSAŻENIE HYDROENERGETYCZNE

•

Montaż turbinMontaż turbin

•

Montaż przekładniMontaż przekładni

•

Montaż generatorówMontaż generatorów

•

Montaż części elektrycznejMontaż części elektrycznej

•

Przyłącze do sieciPrzyłącze do sieci

•

Uruchomienie – próby eksploatacyjne ( ruchoweUruchomienie – próby eksploatacyjne ( ruchowe ) )

(19)

MEW - PROCES INWESTYCYJNY MEW - PROCES INWESTYCYJNY

 ^ODBIORY

•

Kompleksowe odbiory budowlaneKompleksowe odbiory budowlane

•

Odbiory energetyczne z lokalnego Zakładu Odbiory energetyczne z lokalnego Zakładu Energetycznego

Energetycznego

•

Wewnętrzne odbiory robót od wykonawców Wewnętrzne odbiory robót od wykonawców i dostawców

i dostawców urządzeń - gwarancjeurządzeń - gwarancje

 PRZEKAZANIE DO EKSPLOATACJI

•

Okres gwarancji i eksploatacja po gwarancjiOkres gwarancji i eksploatacja po gwarancji

•

Szczegółowe procedury eksploatacyjneSzczegółowe procedury eksploatacyjne

•

Dziennik pokładowyDziennik pokładowy

•

Dokumentacja techniczna – instrukcje, gwarancje itp.Dokumentacja techniczna – instrukcje, gwarancje itp.

•

Procedury awaryjneProcedury awaryjne

•

Wyposażenie elektrowni i obsługującychWyposażenie elektrowni i obsługujących

•

Sprzęt asekuracyjny i serwisu technicznegoSprzęt asekuracyjny i serwisu technicznego

(20)

MEW – PODSTAWOWE PARAMETRY MEW – PODSTAWOWE PARAMETRY

 W celu określenia podstawowych parametrów

przepływowej MEW należy przeprowadzić odpowiednie działania przygotowawcze.

 Założono, że część wodna, w postaci

odpowiedniego spiętrzenia, jest już wykonana, lub przynajmniej zaprojektowana.

 Część parametrów cieku wodnego zmienia się w cyklu rocznym, dlatego trzeba je wyznaczać przynajmniej przez okres roku, a następnie

dokonać wyboru wartości przyjmowanych do

dalszych obliczeń.

(21)

MEW – PODSTAWOWE PARAMETRY MEW – PODSTAWOWE PARAMETRY

 W części technicznej projektu wyznacza się następujące główne elementy:

1. poziom górnej wody,

2. poziom dolnej wody,

3. spad strumienia wody, tzw. spad niwelacyjny,

4. przepływ w rzece dla danego przekroju piętrzenia,

5. instalowany przełyk turbiny, czyli maksymalną objętość strumienia wody przepływającej przez

turbinę w jednostce czasu (na podstawie średniego rocznego przepływu),

6. moc znamionową elektrowni,

7. parametry turbiny i przekładni mechanicznej,

8. dane hydrogeneratora,

(22)

MEW – PODSTAWOWE PARAMETRY MEW – PODSTAWOWE PARAMETRY

9. układ i typ rozdzielni elektrownianej,

10. schematy układów sterowania, automatycznej regulacji i zabezpieczeń,

11. parametry linii i ewentualnie stacji rozdzielczej, łączącej z systemem elektroenergetycznym,

12. wartość produkcji energii w ciągu roku, oszacowaną na podstawie znajomości zmian parametrów

przepływu wody w ciągu roku,

13. czas wykorzystania mocy zainstalowanej

elektrowni, służący do oceny ekonomiczności

elektrowni, wyznaczany z wartości produkcji rocznej

i mocy zainstalowanej.

(23)

ENERGIA STRUMIENIA WODY ENERGIA STRUMIENIA WODY

 W rzecznych elektrowniach wodnych energię elektryczną uzyskuje się z energii kinetycznej

a zwłaszcza z energii potencjalnej wody.

 Wykorzystując równanie Bernoulliego:

gdzie:

c - prędkość wody [m/s],

g - przyśpieszenie ziemskie [m/s

²

], h - wysokość [m],

p - ciśnienie [Pa],

ρ - gęstość wody [kg/m

³

],

const h p

c g

ρ = +

⋅ 2 +

2

(24)

ENERGIA STRUMIENIA WODY ENERGIA STRUMIENIA WODY

 Można wyznaczyć teoretyczną ilość energii A zawartej w płynącej wodzie pomiędzy dwoma punktami 1 i 2

rozpatrywanego odcinka rzeki, czy innego cieku.

Przekrój koryta rzeki: a) w stanie naturalnym, b) po wybudowaniu zapory

(25)

ENERGIA STRUMIENIA WODY ENERGIA STRUMIENIA WODY

 Energia wody w korycie rzeki w każdym z przekrojów wynosi:

gdzie:

Z

₁

, Z

₂

- wzniesienie przekrojów A i B nad dowolny poziom odniesienia [m],

p

₁

, p

₂

- ciśnienie na poziomie lustra wody [Pa], c

₁

, c

₂

- średnia prędkość wody [m/s],

V - objętość przepływającej wody [m

³

].

[ ] [ ] ^J

2 2 J

2 2 2 2

2

2 1 1 1

1

c V Z p

g A

c V Z p

g A

⋅ ρ

 ⋅



 



 +

+ ρ

⋅

=

⋅ ρ

 ⋅



 



 +

+ ρ

⋅

=

(26)

ENERGIA STRUMIENIA WODY ENERGIA STRUMIENIA WODY

 Kolejne wyrażenia w nawiasach określają energię jednostkową wyrażoną w m

²

/s

²

= J/kg:

 Energia rozwijana przez rzekę między przekrojami 1 i 2 wynosi:

2 c2

p Z g

ρ

⋅

- energia położenia (potencjalna), - energia ciśnienia,

- energia prędkości (kinetyczna)

( ^Z ^Z ) ^p ^p ^c ^c ^V

g A

A

A  ⋅ ρ ⋅



 



 + −

ρ + −

−

⋅

=

−

= 2

2 2 2

1 2

2 1 1

2 1

(27)

ENERGIA PRZEKAZYWANA TURBINIE ENERGIA PRZEKAZYWANA TURBINIE

 Po wybudowaniu zapory uzyskuje się koncentrację

spadu i możliwość wykorzystania energii strumienia wody w turbinach wodnych.

Przekrój koryta rzeki: a) w stanie naturalnym, b) po wybudowaniu zapory

(28)

ENERGIA PRZEKAZYWANA TURBINIE ENERGIA PRZEKAZYWANA TURBINIE

 Założono, że środki ciężkości mas wody na górnym i dolnym poziomie znajdują się na poziomach Z

₁

i Z

₂

.

 Ponadto przyjęto oznaczenia:

• ^h

¹

^{, h}

²

głębokość położenia środka ciężkości masy wody pod lustrem wody [m],

• ^H

¹

^{, H}

²

poziom niwelacyjny lustra wody w stosunku do poziomu odniesienia [m],

• ^H spad niwelacyjny [m].

 Po uwzględnieniu zależności:

g h

p

g h

p

h Z

H h

Z H

H H

H

⋅ ρ

⋅

=

⋅ ρ

⋅

=

+

= +

=

→

−

=

2 2

1 1

2 2

2 1

1 1

2 1

(29)

ENERGIA PRZEKAZYWANA TURBINIE ENERGIA PRZEKAZYWANA TURBINIE

 Wartość energii, jaką turbina może przejąć od strumienia wody można wyrazić zależnością:

 Wyrażenie w nawiasach jest jednostkową energią użyteczną Au :

[ ] ^J

2

2 2 2

2 1

1

c c g h V

H g

A

_str

 ⋅ ρ ⋅



 



 ⋅ + − + ⋅

= ∑

−

[ ^J/kg ]

2 2

2 2 2

1

⁻ ⁺ ^⋅ ∑

+

⋅

=

_str

u

c c g h

H g

A

strata energii związana z oporami przepływu wody w doprowadzeniach

i odprowadzeniach z turbiny

energia kinetyczna wody odpływającej na dolnym poziomie z prędkością c₂ energia kinetyczna

związana z ruchem wody w górnym zbiorniku z

prędkością c₁

energia potencjalna wody w zbiorniku

górnym

(30)

ENERGIA ZAMIENIANA NA ELEKTRYCZNĄ ENERGIA ZAMIENIANA NA ELEKTRYCZNĄ

 Przy wyznaczaniu energii transformowanej na elektryczną, trzeba jeszcze uwzględnić sprawność

tego procesu - a zatem uzyskiwana energia wyniesie:

gdzie:

η

_t

- sprawność turbiny wodnej;

η

_p

- sprawność przekładni;

η

_g

- sprawność generatora.

Jeśli cała różnica poziomów wody jest skoncentrowana na niewielkim obszarze, można pominąć spadki

ciśnienia w przewodach doprowadzających wodę do turbiny.

[ ] ^J

g p

t u

el

A V

A = ⋅ ρ ⋅ ⋅ η ⋅ η ⋅ η

(31)

ENERGIA ZAMIENIANA NA ELEKTRYCZNĄ ENERGIA ZAMIENIANA NA ELEKTRYCZNĄ

 Na ogół prędkości wody przed i za spiętrzeniem są zbliżone, czyli c

₁

= c

₂

.

 W takich przypadkach podstawową rolę w przemianie energii wody na elektryczną odgrywa energia

potencjalna.

 Moc elektrowni wodnej:

gdzie: Q - przełyk turbiny, czyli objętość strumienia wody przepływającego przez turbinę w ciągu sekundy [m

³

/s],

[ ^J/kg ]

H g

A

_u

= ⋅

[ ] ^W

g p

el t

el

g H Q

t

P = A = ⋅ ⋅ ⋅ ρ ⋅ η ⋅ η ⋅ η

(32)

ENERGIA ZAMIENIANA NA ELEKTRYCZNĄ ENERGIA ZAMIENIANA NA ELEKTRYCZNĄ

 Moc wytwarzana w elektrowni wodnej wykorzystującej energię rzeki między jej przekrojami 1 i 2 zależy od:

 wysokości spadku H wody (różnicy poziomów przed i za turbiną);

 wielkości przełyku Q turbiny;

 sprawności turbiny wodnej, przekładni i generatora.

 Moc elektrowni wodnej to moc czynna oddawana do

sieci energetycznej - w obliczeniach należy zatem

uwzględnić także sprawność układu wyprowadzenia

mocy, tj. straty, jakie powstają na drodze przesyłu

wytworzonej energii, od generatora aż do sieci,

powodowane przez kable, szyny, przełączniki,

transformatory itp.

(33)

ENERGIA ZAMIENIANA NA ELEKTRYCZNĄ ENERGIA ZAMIENIANA NA ELEKTRYCZNĄ

 Ostatecznie moc oddawana do sieci przez elektrownię wodną przy założeniu ρ=1000 kg/m

³

i g=9,81 m/s

²

wynosi:

gdzie:

η

_s

- sprawność układu wyprowadzającego moc do systemu elektroenergetycznego.

 W projektowaniu wstępnym można posługiwać się zakresami sprawności podanymi w literaturze:

• dla turbin η

_t

= 0,82 – 0,92

• dla generatorów η

_g

= 0,94 – 0,97

• dla układów wyprowadzenia mocy η

_t

= 0,82 – 0,92

[ ] ^kW

81 9 H Q

_t _p _g _s

P = , ⋅ ⋅ ⋅ η ⋅ η ⋅ η ⋅ η

(34)

PRZYKŁAD – DANE OBIEKTU PRZYKŁAD – DANE OBIEKTU



Dla pokazania wybranych etapów projektowania MEW, przyjęto przykładową elektrownię o parametrach:



strumień wody zostanie rozdzielony na 3 jednakowe turbiny rurowe Kaplana,



spad H = 1,8 m,



przełyk maksymalny Q = 6,3 m³/s,



przełyk maksymalny każdej z turbin Q_t = 2,1 m³/s,



obroty nominalne turbiny n_t = 238 obr/min,



sprawność turbiny η_t = 92 %,



sprawność przekładni η_p = 95 %,



sprawność generatora η_gen = 93 %,



sprawność układu wyprowadzenia mocy η_s = 98 %,



moc potrzeb własnych ΔP_pot.w = 2 % mocy elektrowni

.

(35)

PRZYKŁAD – OBLICZANIE MOCY PRZYKŁAD – OBLICZANIE MOCY



Maksymalna moc na wale jednej turbiny (odpowiadająca maksymalnemu przełykowi)



Moc maksymalna osiągana przez trzy turbozespoły przy przepływie łącznym Q=6,3 m³/s

gdzie:

α - współczynnik korygujący z tytułu spiętrzenia wody dolnej = 0,964.



Moc na zaciskach każdego z turbogeneratorów powinna wynosić:

(36)

PRZYKŁAD - OBLICZANIE MOCY PRZYKŁAD - OBLICZANIE MOCY



Moc oddawana do sieci to suma mocy generowanych, pomniejszona o moc potrzeb własnych i straty w układzie wyprowadzania mocy

Potrzeby własne to głównie napęd regulatora łopatek turbiny, napęd pompy oleju smarnego, oświetlenie i ogrzanie

budynku oraz zasilanie układów automatyki.

(37)

PRZYKŁAD – DOBÓR WYMIARÓW TURBINY PRZYKŁAD – DOBÓR WYMIARÓW TURBINY



W celu określenia średnicy każdej z trzech turbin rurowych Kaplana z wałem poziomym, wyznaczono prędkość

obrotową normalną zredukowaną do spadu jednego metra:



Przełyk zredukowany do spadu jednego metra dla jednej turbiny wynosi:



Przybliżona wartość maksymalnej mocy zredukowanej do spadu jednego metra:

(38)

PRZYKŁAD – DOBÓR WYMIARÓW TURBINY PRZYKŁAD – DOBÓR WYMIARÓW TURBINY



Przybliżona wartość wyróżnika szybkobieżności czyli prędkości obrotowej turbiny geometrycznie podobnej,

która przy spadzie H =1m osiąga moc 1KM = 0,736 kW:

lub z wykorzystaniem innej metody:

(39)

PRZYKŁAD – DOBÓR WYMIARÓW TURBINY PRZYKŁAD – DOBÓR WYMIARÓW TURBINY



Wyższy współczynnik oznacza, że przy określonym spadzie możliwe jest uzyskanie tej samej mocy przy pomocy turbiny o mniejszej średnicy wirnika.



Zgodnie z podziałem wprowadzonym w literaturze rozważana turbina leży w pobliżu granicy pomiędzy średniobieżnymi a szybkobieżnymi.



Z powyższych danych można obliczyć średnicę charakterystyczną wirnika:

UWAGA:

Wzór obowiązuje dla spadów poniżej 10 m.

(40)

PRZYKŁAD – DOBÓR WYMIARÓW TURBINY PRZYKŁAD – DOBÓR WYMIARÓW TURBINY



Zalecana ilość łopatek wirnika wynosi 3.



Dla trzech łopatek, zalecana wartość stosunku średnicy piasty wirnika do średnicy charakterystycznej dw /D = 0,35^.



W związku z tym średnica piasty wirnika powinna wynosić:

(41)

PRZYKŁAD – PARAMETRY GENERATORA PRZYKŁAD – PARAMETRY GENERATORA



Generator indukcyjny to maszyna klatkowa, napędzana przez turbinę z prędkością nadsynchroniczną.



Źródłem wzbudzania generatora asynchronicznego jest sieć, z której pobiera on prąd magnesujący.



Moc bierna pobierana przez generator przy stałym napięciu sieci, jest w przybliżeniu stała, niezależna od mocy czynnej oddawanej przez generator.



Wpływa to na obniżanie współczynnika mocy przy zmniejszaniu produkowanej mocy czynnej.



W celu pomniejszenia poboru mocy biernej z sieci, na zaciskach generatora włącza się baterie kondensatorów.



Przy odłączaniu generatora od sieci, należy go również

odłączyć od kondensatorów, aby napięcie generatora zanikło.

(42)

PRZYKŁAD – PARAMETRY GENERATORA PRZYKŁAD – PARAMETRY GENERATORA



Generatory asynchroniczne stosuje się wyłącznie w małych elektrowniach ze względów ekonomicznych.



mają one prostszą konstrukcję,



są lżejsze i tańsze od generatorów synchronicznych,



nie wymagają regulacji napięcia i synchronizacji.



Zbędna jest zatem cała aparatura potrzebna do tych procesów, skutkiem czego układy sterowania elektrowni asynchronicznej są znacznie prostsze i tańsze od

automatyki elektrowni synchronicznej.



Dla zmniejszenia poboru mocy biernej, generator powinien pracować jak najbliżej stanu znamionowego.

Spełnieniu tego warunku sprzyja zastosowany układ złożony z 3 hydrozespołów - przy obniżaniu przepływu rzeki można

wyłączać kolejne hydrozespoły, zapewniając pozostałym dostateczny przepływ wody.

(43)

PRZYKŁAD – PARAMETRY GENERATORA PRZYKŁAD – PARAMETRY GENERATORA



Biorąc pod uwagę obliczoną mocy P_g=29 kW założono, że każda z turbin będzie współpracować z generatorem asynchronicznym o mocy 30 kW i napięciu 400 V.



Dobrano silnik typu 2Sg 225M6 produkcji CELMY, o parametrach:



Prędkość znamionowa wybranego silnika różni się od synchronicznej o 18 obr/min - znamionowa prędkość przy pracy prądnicowej wyniesie zatem:

1000 + 18 = 1018 [obr/min]



Przełożenie przekładni powinno być stosunkiem tych obrotów do znamionowych obrotów turbiny, czyli wyniesie

i = 1018/238 = 4,3

(44)

PRZYKŁAD – ZABEZPIECZENIA I STEROWANIE PRZYKŁAD – ZABEZPIECZENIA I STEROWANIE



Elektrownia może posiadać pełną automatyzację z regulacją pracy turbozespołu w zależności od ilości wody będącej w dyspozycji dla osiągnięcia maksymalnej produkcji energii elektrycznej - funkcja ta jest realizowana na podstawie pomiaru poziomu wody górnej i przepływu w danej chwili.



W przypadku pracy na sieć wydzieloną, trzeba tak regulować otwarcie przełyku, aby stabilizować obroty turbiny

(częstotliwość generatora) - stosuje się wtedy regulator prędkości wykorzystując np. odśrodkowy czujnik prędkości obrotowej.



Natomiast przy współpracy elektrowni z siecią, stosuje się regulator mocy, współpracujący z czujnikiem poziomu górnej wody (częstotliwość jest utrzymywana przez sieć). Zadaniem regulatora jest taka zmiana otwarcia przełyku, aby poziom górnej wody był wysoki i zbytnio się nie zmieniał – regulator zmienia produkowaną moc w zależności od warunków

wodnych.

(45)

PRZYKŁAD – ZABEZPIECZENIA I STEROWANIE PRZYKŁAD – ZABEZPIECZENIA I STEROWANIE



Automatyzacja elektrowni może obejmować:



awaryjne odstawianie turbozespołów w sytuacji:



zaniku napięcia w sieci,



nagłego spadku poziomu wody górnej,



zalania hali maszynowni w czasie klęski żywiołowej,



wystąpienia stanu awaryjnego turbozespołu,



kontrolę pracy turbozespołów oraz sygnalizację stanów awaryjnych,



regulację otwarcia łopat kierownicy turbiny w funkcji poziomu wody górnej,



automatyczne ponowne załączanie turbozespołów po uzyskaniu warunków poprawnej pracy.